基于Simulation的離心式壓縮機焊接機殼靜態(tài)有限元分析

彭建頌++李勇

摘 要：以某型號離心式壓縮機焊接機殼為例，采用Solidworks三維軟件及其Simulation有限元插件對焊接機殼進行了靜態(tài)有限元分析。根據(jù)計算結(jié)果，分析應(yīng)力和應(yīng)變云圖數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)表明該型號焊接機殼靜態(tài)下的應(yīng)力和變形均在允許范圍內(nèi)。可為焊接機殼結(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：離心壓縮機；焊接機殼；有限元分析；靜態(tài)應(yīng)力和變形

中圖分類號：TH452；TB122 文獻標識碼：A

0.引言

離心式壓縮機是一種動力型壓縮機，在國民經(jīng)濟各部門中占有重要的地位，特別是在冶金、石油化工、制藥、天然氣輸送以及動力等工業(yè)部門獲得廣泛的應(yīng)用。離心壓縮機的機殼，也稱氣缸，其毛坯通常是鑄鐵件或鑄鋼件。實際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，鑄造機殼制造周期長、成本高，而且鑄造出的機殼通用性差，存在鑄造缺陷，有時在機殼加工過程中還要進行大量的補焊，甚至于機殼報廢，使得鑄造機殼的開發(fā)和生產(chǎn)受到了限制，制約了企業(yè)的發(fā)展。某透平機械企業(yè)為了改變這種狀況，嘗試以焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計制造機殼，以便加快產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)。本文針對某透平機械企業(yè)一款離心式壓縮機焊接機殼，運用有限元法進行靜力學(xué)特性分析，依據(jù)數(shù)據(jù)分析，提出合理化建議，從而提高產(chǎn)品設(shè)計水平和效率，縮短開發(fā)周期。

1.離心壓縮機機殼結(jié)構(gòu)及參數(shù)

離心壓縮機按結(jié)構(gòu)特點可以分為水平剖分式、垂直剖分式，該型號離心壓縮機為水平剖分式。壓縮機由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成，定子被通過軸心線的水平面剖分為上下兩部分，常稱其為上、下機殼。上、下機殼用螺栓聯(lián)成一個整體。機殼的材料為Q235B。

2.機殼模型的建立及網(wǎng)格劃分

2.1 模型中焊縫的處理

此次主要分析、考查機殼的變形及應(yīng)力分布情況，所以在建模過程中，認為焊縫與機殼本體物理機械性能相同，對焊縫不做考慮。

2.2 有限元模型的建立

根據(jù)某型號產(chǎn)品圖紙，采用先進的三維實體建模軟件Solidworks建立模型。該型號壓縮機機殼由殼身、進氣蝸室、排氣蝸室、隔板安裝座、錨爪、軸承箱等組成。建模時特征繁多、曲面復(fù)雜，建模過程中，難免會存在各種問題，導(dǎo)致網(wǎng)格劃分不成功。因此在不影響整體計算結(jié)果的情況下，需對一些結(jié)構(gòu)特征進行合理簡化，以便有效地快速的劃分網(wǎng)格。在建模時先采用“實體分割法”，即將機殼按上、下機殼兩個零件分別進行網(wǎng)格劃分，然后對機殼整體劃分，這樣可增加整體劃分網(wǎng)格的成功幾率。網(wǎng)格劃分時，參數(shù)選擇必需合理，過粗時結(jié)果可能包含嚴重的錯誤，過密時會計算時間長，甚至不能運行。因此，可利用“網(wǎng)格控制”的方法針對上下機殼的特點或則設(shè)計需要，控制網(wǎng)格單元的大小，以提高網(wǎng)格劃分的速度和成功率。也可利用壓縮功能，退回到初始特征，依次劃分網(wǎng)格→簡化或修改特征→再劃分網(wǎng)格→再簡化或修改特征→直至成功。在進行網(wǎng)格劃分時，若劃分失敗，還可通過軟件提供的插件“失敗診斷”，查找原因，通過失提示找出解決對策。模型劃分網(wǎng)格結(jié)果如圖1所示，網(wǎng)格參數(shù)見表1。

3.約束與載荷

3.1 約束情況

根據(jù)離心壓縮機的實際工況，機殼是通過4個“錨爪”用螺栓連接在底座上，處于脫離地面的狀態(tài)，所以可簡化為“錨爪”底面的約束，即限制4個錨爪底部在X、Y、Z3個方向的移動自由度。

3.2 載荷情況

機殼中裝有轉(zhuǎn)子、隔板、預(yù)旋器、氣封、油封、軸承等。機殼自身的重量為9.5t，轉(zhuǎn)子的重量為1.1t，隔板的重量為2.3t，預(yù)旋器的重量為0.45t，氣封、油封、軸承的重量相對較輕可忽略。機殼自重作用在重心位置；轉(zhuǎn)子的重量以均布載荷的形式分別作用在兩個軸承座上，根據(jù)其重心與左、右軸承座的位置關(guān)系可計算得，施加在左軸承座上的載荷為0.55t，施加在右軸承座上的載荷為0.55t；隔板重量簡化為與機殼配合面上的均布載荷；預(yù)旋器重量簡化為與機殼配合面上的均布載荷。

4.靜態(tài)載荷結(jié)果分析

經(jīng)上述簡化和處理，用Solidworks軟件中Simulation有限元插件進行計算，得到機殼在重力作用下的節(jié)點應(yīng)力、節(jié)點位移以及單元應(yīng)變分布結(jié)果，分別如圖2、圖3、圖4所示。

根據(jù)以上應(yīng)力、應(yīng)變、位移云圖可知，該機殼的最大應(yīng)力、最大應(yīng)變、最大位移及其作用位置，見表2。

生產(chǎn)使用經(jīng)驗證明，機殼必須滿足以下3點要求：強度，要足夠承受氣體介質(zhì)的壓力；剛度，要足以避免在長期使用中產(chǎn)生變形；密封性能，中分面及出風口法蘭結(jié)合面要可靠，以免輸送介質(zhì)外泄。

如圖2所示，機殼整體應(yīng)力水平較低，基本都處于2MPa以下，錨爪的局部應(yīng)力處于2MPa～6MPa，錨爪與底座連接處尖角位置應(yīng)力集中最大為9MPa，但作用面積很小，對機殼整體結(jié)構(gòu)影響不大。結(jié)合圖4所示，最大應(yīng)力、應(yīng)變均集中在錨爪部位，符合實際情況。將分析所得的最大應(yīng)力數(shù)值與機殼材料的屈服極限進行比較計算，得到機殼的最小安全系數(shù)為26.1。

如圖3所示，機殼位移云圖可看出，一段排氣接管法蘭處有最大位移量為0.0178mm，該處將來聯(lián)接的管道中配有波紋管可以補償位移，固滿足使用要求。上下機殼水平法蘭面位移最大為0.016mm，滿足設(shè)計要求。

結(jié)論

從分析結(jié)果可知，離心式壓縮機焊接機殼的整體應(yīng)力處于2MPa以下，且最小安全系數(shù)大于26.1，水平面法蘭處最大撓度≤0.1mm，在允許范圍內(nèi)，可保證中分面不漏氣，所以可以判斷在靜態(tài)情況下，壓縮機機殼是可靠的、安全的。

參考文獻

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